第一章 噪聲的本質(zhì)
聲音與石頭扔進(jìn)水池中形成的波紋并無不同,都是從撞擊點(diǎn)向外一圈一圈地?cái)U(kuò)散。每一個(gè)新產(chǎn)生的波紋對(duì)水的擾動(dòng)都比之前更小,它的擴(kuò)散速度保持不變,但高度不斷降低,直到最后水池又平靜如初。物理學(xué)家從水池觀察到的現(xiàn)象則會(huì)與常人大不相同。首先,拋擲的動(dòng)作轉(zhuǎn)移了足夠的能量給石頭,使之能夠在空中飛越;其次,當(dāng)石頭撞擊水面時(shí),它的速度減緩,一些能量得以釋放,其中的一部分產(chǎn)生了水波,其余部分則產(chǎn)生了撲通聲,并使水溫微微上升。盡管一圈圈的水波是唯一可見的效果,但能量此時(shí)已傳播到整個(gè)水池中,每一環(huán)波紋都是一個(gè)不斷擴(kuò)張的半球殼的邊緣,水面起起伏伏之時(shí),水溫也有些許的升高。
一個(gè)短促、突然的聲響(脈沖),比如拍手聲,與石塊扔進(jìn)水中的原理相同。能量從拍擊的手掌以一系列球形聲波的形式向外傳播,速度約是水波的百倍。聲波經(jīng)過的區(qū)域壓力上升:每一個(gè)聲波到達(dá)一段新的空間時(shí),它所觸及的氣體分子在極短的時(shí)間里會(huì)擠得更近一些,聲波過后它們又再次分開。拍手聲越響亮并不意味著它的聲波傳播得越快,它僅僅是將把空氣分子擠壓得更厲害,迫使它們靠得更近,壓力升得更高一些。
像水波一樣,聲波也會(huì)隨著不斷的擴(kuò)張而減弱,在傳播和衰減的過程中會(huì)使得房間的溫度略微上升。上升的幅度極小,因?yàn)槁暡梢院苌俚哪芰總鞑シ浅_h(yuǎn)的距離,這也是聲音無處不在的原因。
如果房間中有一只耳朵,那么聲波首先抵達(dá)的是它的外緣部分——耳郭。過去一直認(rèn)為耳郭具有類似助聽筒一樣放大聲音的功能,但它的形狀與柔軟的質(zhì)地使它不可能擔(dān)負(fù)這樣的重任。不過,假如沒有耳郭,只有耳孔的話,我們的聽覺就要差得多。在頭皮這樣平滑的表面上,一個(gè)簡(jiǎn)單陡然的開孔只會(huì)將大多數(shù)聲音反射出去,而不是容納它們進(jìn)入。正是耳郭的褶皺在從頭皮到耳道之間起到了逐漸過渡的作用,使聲波幾乎沒有遇到什么阻礙就得以進(jìn)入耳內(nèi)。
順利進(jìn)入之后,聲波沿外耳道下行,穿越阻擋小飛蟲(大概還有俗話說的耳夾子蟲)的絨毛和耳垢。兩厘米后,聲波抵達(dá)鼓膜。與其他任何種類的鼓一樣,鼓膜是由稀薄材料構(gòu)成的圓盤,繃得很緊,使得它可以像聲波一樣輕易地振動(dòng)。
但現(xiàn)在還聽不到任何聲音。之后,歸功于一系列神奇的結(jié)構(gòu),鼓膜的細(xì)微顫動(dòng)得以加強(qiáng)。仿照一首老歌的歌詞,鼓膜與一塊聽小骨相連,這塊聽小骨又與另一塊聽小骨相連,然后再與另一塊聽小骨相連,最后與一扇小窗連接,夠神奇的。這些聽小骨是人體中最小的骨頭,分別被命名為錘骨、砧骨、鐙骨,因?yàn)樗鼈兊男螤羁瓷先ズ芟耔F錘、鐵砧和馬鐙(如果不知道鐵砧是什么,不妨發(fā)揮一下你的想象力,參見圖1)。
這些聽小骨是從幾百萬年前爬行動(dòng)物顎骨的一部分進(jìn)化而來的,現(xiàn)在則起到杠桿的作用,它們的協(xié)作使得發(fā)生在鼓膜的微小振動(dòng)在到達(dá)鐙骨的窗口之后變得不那么小了。這種放大效應(yīng)使得我們連鼓膜振幅小于一個(gè)原子直徑那么微弱的聲音都能聽得到——它的壓力只相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的十億分之一,其能量若用來燒開水泡一小杯茶,則要花上一億年的時(shí)間。如果我們還想聽到比這更輕微的聲音,那就將生活于無休止的噪聲之中,因?yàn)槲覀儗?huì)聽到空氣分子無所不在的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。所以,我們的聽覺真的不能再好了。
或者,至少對(duì)我們當(dāng)中那些聽覺完全沒有受損的人來說,它已經(jīng)足夠好了,這些人差不多16歲以下,沒有太頻繁地聽大聲的MP3。而對(duì)其余的人來說,由于時(shí)間和噪聲的作用,聽覺系統(tǒng)都已切實(shí)地受到損傷——作為自然老化過程的一部分,耳內(nèi)毛細(xì)胞死亡導(dǎo)致聽覺喪失,特別是對(duì)高頻聲失去了感知能力。生活在噪聲環(huán)境中也會(huì)造成聽力損失,但是尚不清楚有多少人是由此引起的。我們知道的是,世界上現(xiàn)有1.2億人因失聰而致殘,而所有的成年人都聽不到大約15千赫以上頻率的聲音。
未受損的聽覺系統(tǒng)可以感知的聲波頻率范圍很廣,從20赫茲到20,000赫茲,超過九個(gè)八度。與之相比,我們能夠感知的光波的頻率范圍就小得多,從最深的紅色到最暗的紫色,僅為一個(gè)八度(換句話說,紫光的頻率大約是深紅的兩倍)。
我們能夠應(yīng)付的聲音能量的范圍甚至比頻率范圍還要大,這不得不讓人驚嘆。某種意義上,我們能感知的最高能量的聲音足以致命,但一般來講是將上限值定在聽覺體驗(yàn)成為疼痛的那個(gè)點(diǎn)上,所謂疼痛表現(xiàn)為耳內(nèi)深處的一種令人不安的癢感。25米遠(yuǎn)外噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴,或一米外風(fēng)鉆的響聲可達(dá)到這一水平。
我們所能聽的最輕與最響的聲音之間的能量范圍是很難形容的。如果把本書的厚度比作最輕的聲音(這個(gè)比方也許有點(diǎn)怪),那么最響的聲音所對(duì)應(yīng)的書堆摞起來可以抵達(dá)月球。換一種說法,假如地面上一個(gè)聲源發(fā)出500赫茲的聲音,這個(gè)音量要聽起來痛苦,必須靠近到幾厘米范圍內(nèi),但要完全無法聽見它,則需直線上升到超過400公里的高度,此處假設(shè)空氣密度保持不變。
為使聽覺器官免受強(qiáng)聲的傷害,一條與鐙骨相連的肌肉自動(dòng)將其從窗狀小孔處拉離,另一條則拉緊鼓膜。肌肉在響聲停止之后仍然會(huì)保持緊繃一段時(shí)間,這就是為什么噪聲過后所有聲響聽起來都有些沉悶的原因。這種生理現(xiàn)象叫做聽覺反射,它在聲音抵達(dá)后30至40毫秒內(nèi)產(chǎn)生,在200毫秒左右全面生效。這個(gè)反應(yīng)速度非常令人遺憾,因?yàn)橐粋€(gè)突如其來的響聲此時(shí)已經(jīng)將足夠量的破壞性能量傳遞到內(nèi)耳中。假如我們生活在一個(gè)突然響聲更普遍的星球上,聽覺反射有可能會(huì)比目前進(jìn)化得更加敏捷。
聲波抵達(dá)最后一塊聽小骨之前所發(fā)生的事情已經(jīng)講得很清楚了,之后的情況卻有些不確定。與鐙骨相連的卵圓窗(顧名思義是卵形的)是一個(gè)叫做耳蝸的器官的末端,耳蝸的形狀和體積與一只小蝸牛差不多。它的結(jié)構(gòu)像是一根充滿液體的管子對(duì)折后盤卷起來。這根管子的兩半部分相互接觸的地方叫做基底膜,上面覆蓋了微小的絨毛,聲波正是在這個(gè)位置被接收的。
聲波穿過卵圓窗從管子的一端進(jìn)入,之后沿著管道快速前進(jìn),先是螺旋式卷入,通過對(duì)折區(qū)域后又螺旋式卷出。到達(dá)管道末梢時(shí),聲波與第二個(gè)小窗(這個(gè)是圓形的)相遇,后者向外凸出,吸收了聲波能量以防止它從管道返回導(dǎo)致駐波和混亂。當(dāng)聲波沖擊基底膜上的絨毛時(shí),絨毛根部的細(xì)胞記錄下這些運(yùn)動(dòng),并將信號(hào)傳送給大腦。不同波長(zhǎng)的聲波會(huì)撞擊基底膜上不同位置的絨毛,絨毛擺動(dòng)的程度也不同,大腦所接收到的神經(jīng)沖動(dòng)的類型使得聲波形式得以解碼。基底膜上離鼓膜較遠(yuǎn)的部分與頻率較低的聲波相對(duì)應(yīng)。基底膜的一個(gè)重要屬性是,如果兩個(gè)相似頻率的聲音作用于同一區(qū)域,那么較響的那個(gè)會(huì)掩蓋較輕的那個(gè)。如果兩個(gè)聲音作用于不同區(qū)域,即使它們?cè)陧懚壬戏浅2煌鼈円矔?huì)被分開聽到。所以,在噪聲環(huán)境中,只要噪聲不處于言語頻率,我們就依然能聽清對(duì)方;否則,我們就必須抬高嗓門將聲音調(diào)整到一個(gè)不同的頻率范圍上。
這只是我們聽力系統(tǒng)的其中一個(gè)部分。即使沒有耳道或者鼓膜,依靠骨傳導(dǎo)我們?nèi)匀豢梢月犚姟B曇敉ㄟ^耳后顳骨乳突部可以直接傳導(dǎo)至耳蝸。
圖2a顯示了耳部的總體結(jié)構(gòu),圖2b是一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖。
要談?wù)撛肼暎袅匡@然是一個(gè)關(guān)鍵因素,但應(yīng)測(cè)量什么,怎樣測(cè)量,用什么單位來表示測(cè)量結(jié)果,都沒有一個(gè)明顯的答案。聲音測(cè)量和聲音單位的沿革是本書要講述的故事之一,這里先做一個(gè)簡(jiǎn)要綜述。
噪聲與其他任何類型的聲音一樣都可以用聲壓(絕大多數(shù)聲音測(cè)量?jī)x器的測(cè)量對(duì)象)或聲功率(釋放出的全部能量——常與沖擊效果關(guān)系更大但測(cè)量起來更棘手)來表示。聲強(qiáng)是某一區(qū)域的聲功率的量。不幸的是,這些物理量中沒有哪個(gè)與聲音響度(有時(shí)又很累贅地稱作“感知到的”響度)相等;更不幸的是,沒有合適的儀器可以來測(cè)量它。但令人欣慰的是,這些物理量間存在大約的關(guān)系。(音量粗略等同于響度,但除了在音響設(shè)備的控制板上別處不常用到。)
聲壓、聲功率和聲強(qiáng)可用不同的單位表示,但以分貝為最常用的單位,如圖3所示。
分貝的定義容后再說,這里需謹(jǐn)記的是,分貝不是線性而是對(duì)數(shù)的度量單位。當(dāng)聲音變響時(shí),意味著如下情況:
● 3分貝的增長(zhǎng)意味著聲強(qiáng)和聲功率增長(zhǎng)一倍;
● 6分貝的增長(zhǎng)意味著聲壓增長(zhǎng)一倍;
● 10分貝的增長(zhǎng)意味著響度(音量)增長(zhǎng)大約一倍。
而如果聲音測(cè)量設(shè)備顯示聲壓增長(zhǎng)20分貝,則表示:
● 聲壓(設(shè)備上顯示的伏特?cái)?shù))增長(zhǎng)至十倍;
● 聲功率和聲強(qiáng)增長(zhǎng)至約一百倍;
● 響度(音量)增長(zhǎng)至約四倍。
(得出以上結(jié)果需要很多前提,主要的一條是,聲音變響但頻率不發(fā)生改變,并且向所有方向的傳播是均等的。)
最后再說一下,聲壓上1分貝的變化幾乎不可能聽出來。3分貝的變化剛好可被人耳感知(這表示作用于鼓膜上的聲音能量是原來的兩倍,并不是一個(gè)很大的數(shù)目)。5分貝的變化聽起來則很明顯。而如上面所說的,10分貝的增長(zhǎng)是原來的兩倍響,20分貝的增長(zhǎng)則是原來的四倍響。